用過的核燃料何去何從?兩種策略智慧處理

2020-12-04 中國新聞網

  中新網9月16日電 用過的核燃料可以再循環利用,也可以直接埋存處置,該怎麼做才能兼顧安全與發電效率,考驗著我們的智慧。臺灣《科學人》雜誌76期對此作了分析,原文摘錄如下:

  核能發電的原料因體積小,具有運輸和貯存方便的優點。略小於一截中指大小的燃料丸所含的能量,相當於568升的石油或807公斤的煤,產生的電力可以供給一個人一年平均家用所需電量。

  在核能發電成本中,燃料成本所佔的比例較低,較不容易受到國際能源價格波動的影響,因此依賴進口能源的國家都將核能視為準自產能源。

  核能發電的另一項優點是不會排放二氧化碳;在京都議定書二氧化碳減量的壓力下,已經存在近50年、但被大多數國家忽略的核能,再度成為許多國家重要的能源選項之一。

  核能發電的使用一直是備受爭議的議題。過去50年來,人們對核能發電的好惡會隨著外在環境的改變及偶發事件的影響,有大幅度的改變。

  就如同其它能源的使用,核能發電也會對環境帶來影響,但是與化石燃料所造成的空氣汙染以及二氧化碳的排放相比,世界上許多環保團體與人士已經逐漸認知,核能發電可以視為潔淨能源。

  多年來,核能發電發展兩個最具爭議性的議題,就是核能安全及核廢料的處理,這兩個議題都與輻射有關。放射性物質是天然存在的東西,人類文明的發展亦大量利用放射性物質於工業設施及醫療診斷與治療,這些放射性物質均會對生物造成輻射。

  使用核能發電不可避免地會排放微量的放射性物質到外界環境,但透過嚴謹的設計及法規管制監督,可以將排放的放射性物質所導致的劑量,減少至遠低於天然輻射造成的劑量。

  用過核燃料的價值與顧慮核能發電會產生需要處置的含放射性物質的物料,包括低放射性核廢料、高放射性核廢料及用過核燃料。核電廠每運轉18~24個月後,就必須更換燃料,自反應器退出的燃料束稱為用過核燃料。

  用過核燃料的營運策略包括「直接處置」及「再循環」兩種方式。

  「直接處置」是將經妥善封裝的用過核燃料,長期或永遠貯存於合適的地質環境;「再循環」則是指回收用過核燃料中尚可使用的鈽與鈾,這種做法可以將高放射性核廢料的體積與重量減至1/10,符合資源回收與垃圾減量的普世價值,並大幅降低輻射的強度以及衰變所需的時間。

  如果人類在未來數十年內無法找到可以替代化石燃料的能源,前述再回收的核燃料將在人類能源供應上扮演非常重要的角色。

  由於擔心用過核燃料再處理時,回收的鈽239有可能用於製造原子彈,造成核武擴散,美國卡特政府於1979年宣布終止用過核燃料再處理的技術發展,改為規劃將用過核燃料直接運至深層地質處置場做最終處置。

  1987年美國國會通過以亞卡山做為美國用過核燃料最終處置場址,並責令美國能源部開始進行場址特性調查,該最終處置場預定於2017年開始運作。

  在此項政策下,美國的電力公司會將用過核燃料較長期地暫存於電廠的核燃料儲存池。核燃料儲存池是原本就存在於電廠的設施,用來暫存剛從反應器退出的用過核燃料,待其衰變熱適當降低、可以運送時,再送到場外的設施處置。

  由於用過核燃料最終處置場的廠址尋覓及興建,均遭遇很大的阻力,用過核燃料最終處置設施遲遲不能完工,有部份電廠的核燃料儲存池已經無法容納所有自反應器退出的用過核燃料,必須再找其它替代方案。

  做法不外於電廠內另外再興建乾式、溼式兩種儲存設施。溼式儲存就是再興建一個用過核燃料儲存池;乾式儲存則是將用過核燃料束置於層層包覆的結構體內,利用自然對流將衰變熱帶走。

  由於乾式儲存的照管與維護較容易,而且部份包裝也可用於日後的廠外運輸作業,絕大部份的電廠都選擇乾式儲存。美國政策的改變,直接影響了許多核子技術依賴美國之國家的政策;但是日本、法國、英國、前蘇聯等自產能源不足的國家,仍然持續發展用過核燃料再處理技術,目前的能力已經足以協助其它國家。

  近幾年來,為了降低對進口石油的依賴、減少二氧化碳的排放、促進能源的永續利用、防止核武擴散及推動反恐政策等考慮,核能發電量居世界首位的美國在推動用過核燃料「直接處置」策略近30年後,重新考慮用過核燃料「再循環」策略。

  美國發現,如果大規模發展與使用核能發電,亞卡山的用過核燃料最終處置場將不敷使用,勢必要尋求第二個場址。雖說技術層面並無問題,但政治面將是一個頭痛的事情。

  用過核燃料再循環牽涉到核武器擴散的問題,所以必須世界各國通力合作。2006年2月美國布希政府提出全球核能夥伴(Global Nuclear Energy Partnership, GNEP)方案,美國及其核能夥伴將會提供核燃料給其它國家,同時也提供用過核燃料再循環的服務,協助回收用過核燃料中尚可利用的鈽與鈾。

  為了避免鈾、鈽分離後造成核武擴散的顧慮,美國業已規劃發展新的技術,確保鈾與鈽在處理過程中不會分開。為了推展這項方案,美國規劃與俄羅斯、法國、英國、日本和中國等具有再循環與鈾濃縮技術的核能先進國家合作,並已獲得這些國家的支持。

  美、法、日、俄及中國等國已於2007年5月21日正式發表聯合聲明,將合作推展GNEP方案,預計GNEP建立的機制將成為未來國際上用過核燃料營運策略的主流。

  目前國際上具備商用再處理設施的國家為法、英、俄、日四國,其中法、英、俄三國至2005年底止,總計已處理約2萬9000噸(鈾當量)的用過核燃料,其中約74%是由法國再處理廠處理。

  日本於青森縣六所村興建的再處理廠(容量為每年800公噸)正進行試運轉,預定2007年8月開始商業運轉。GNEP的構想為各國現存用過核燃料的處置提供了一個新思維。(李敏、梁惠明)

相關焦點

  • 聚焦中國核燃料後處理:萬噸乏燃料咋成了燙手山芋
    萬噸核反應堆乏燃料為啥成了燙手山芋  ——院士痛陳核燃料後處理研發與工藝裝備嚴重滯後  「在核燃料後處理上我們是一個後進的國家,這不得不承認。」  乏燃料是「魔鬼」嗎  乏燃料,是指在反應堆內燃燒過的核燃料,經過一定的時間從反應堆內卸出。乏燃料並非核廢料。其中仍有95%的鈾沒有燃燒,同時還會產生一些新核素,如1%的鈽和4%的其他核素。  到2020年,我國預計建成5800萬千瓦核反應堆機組,每年產生的乏燃料超過1000噸,乏燃料累計總量約1萬噸。
  • 印度拒絕中國核電:雖自誇華龍一號,但核燃料後處理落後印度10年
    在核電廠的核反應堆中,燃耗深度達到設計限值 ,需要從堆中卸出不再使用的核燃料。這些不再使用的核燃料學名叫乏燃料 ,對乏燃料的處理,就是所謂的後處理。目前,國際上處理方法有兩種,一種是一次性通過長期處置,將乏燃料當廢料做深度掩埋;另一種是閉式燃料循環,提高乏燃料的再利用率,同時降低放射強度。但是這兩種方法,前者對自然條件要求高,後者對技術能力要求高。
  • 核燃料不再用鈾?美國造出錒系核燃料,安全無汙染還沒有放射性
    核電站使用的核燃料以及裂變性質的核武器使用的基本都是鈾和鈽兩種元素。因此不少朋友可能想當然地認為核燃料只有這兩種,但其實任何元素在適宜的條件下都是可以發生核反應釋放核能的,只是不同的元素所需要的溫度壓力等條件不同,而鈾和鈽兩種元素需要的條件比較容易達到,比如鈾和鈽的半衰期、核能激發條件,能量釋放度等條件都比較理想,所以它們才會被用來當做核電站的核燃料以及核武器的炸藥來用了。
  • 明明自然界中鈾-238最豐富,為什麼還要用稀有的鈾-235做核燃料?
    原子彈中常用的核材料是鈾和鈽,但在核能利用的核電站中,用的卻都是鈾,為什麼選鈾呢?為什麼核反應堆的核燃料都是鈾,而且還是鈾-235,不能是大量存在的鈾-238嗎?核電站的中的核燃料利用的都是U-235,在鈾元素中含量超過99%的U-238除了吸收中子增值成鈽元素外,其他的用處就只能拿來知奧貧鈾裝甲或者貧鈾彈了!那麼為什麼不用U-238呢,非得用一丟丟含量的U-235?
  • 3D列印核燃料,有什麼應用?
    它其實還能夠用於製造核燃料!美國愛達荷國家實驗室(INL)的科學家就正在進行這樣的嘗試 — 通過結合傳統工藝與3D列印技術,他們已經成功製造出了矽化鈾(U3Si2)這樣的核燃料。而這種新方式據說不但更加快速經濟,還能提高核燃料的循環經濟效率。這裡科普一下:當前大多數核電廠使用的核燃料是UO2(二氧化鈾)。但與之相比,U3Si2的密度更大,導熱性更好,能提高核反應堆的安全性和效率。
  • 中核集團第一次探秘核燃料
    相對於關注度高的沿海核電站,我們對深處西部的核燃料線上那些默默無聞的鑽探工人又知之甚少。查明真相的機會來了!知力君在中核集團2015年科普開放周活動中實地走訪中核北方核燃料元件有限公司(以下簡稱中核北方公司)、核工業二〇八大隊、內蒙礦業公司、通遼鈾業, 一一揭開了這些困惑。核能是什麼,有什麼用?核能,是核裂變能的簡稱。
  • 世界頂級核燃料師是這樣煉成的
    喬素凱:「燃料無小事」,這是當年帶我的師父的口頭禪,也是我們所有核燃料操作員的安全底線,牢牢守住這個底線,是核燃料人的本分!因為核燃料工作的特殊性,我用「不允許毫釐之差」來要求自己和身邊的同事。在我心裡,每一次換料維修的每一步操作都是一次全新的開始,56000步的零失誤已是過去,56001步就是新的開始,必須精益求精,不允許有一點點的失誤和差錯。
  • 走近核燃料再循環
    然而,核電中的核燃料——天然鈾資源也有耗盡的一天。而且我國鈾礦資源不甚豐富,現已探明的儲量居世界10名之後。為破解這一難題,核燃料再循環成為充分利用有限鈾資源,實現核能供給最大化的重要途徑。目前,法國、英國、日本等都在使用核燃料再循環,我國也採取了這種後處理手段。
  • 《瞭望》雜誌揭秘中國核燃料:世界最高等級的「安全生產」
    這意味著,基於當前我國能源結構清潔化和大氣治理的迫切需求,「加強核燃料保障體系建設」已經成為我國能源戰略的基礎性重大課題之一。特別是核燃料作為核電站的動力源泉、確保核電站安全運行的第一道屏障,具體生產情況怎樣?質量是否過關?能否滿足未來核電發展的需要?如何保障用過的核燃料的長期安全?
  • 讓福島真正安全:用介子探測器尋找洩漏核燃料
    4年前,在大地震和海嘯中被損毀的日本福島第一核電站,可能不會真正安全,直到工程師能夠將反應堆中的核燃料移走。但首先,他們必須能夠找到這些燃料。
  • 中國核工業的創建與核燃料循環體系 - 新華網上海頻道-專題報導
    而後相繼建立了鈾水冶廠、同位素分離廠、鈾轉換廠、核燃料元件製造廠、後處理廠和一批研究設計院所。1964年10月,我國成功地爆炸了第一顆原子彈;1967年6月,又成功地爆炸了第一顆氫彈。從原子彈爆炸試驗成功到氫彈爆炸試驗成功,我國用了兩年零8個月的時間,比美國、蘇聯、英國、法國快得多。與此同時,1971年,我國第一艘核潛艇順利建成下水。這些舉世矚目的成就,大大提高了我國的國際地位和綜合國力。
  • 中國核燃料生產基地曝光 核燃料生產過程揭秘
    近日,央視記者經過特別允許,進入了中國一家主要核燃料生產基地,揭秘了核燃料的生產全程。據介紹,此次探訪的核燃料工廠每年送出的核燃料最多可以產生相當於4000萬噸標準煤的能量。核燃料使用的是具有放射性的鈾,這種材料在自然界儲量非常稀少。
  • 歷經8年,中國科學家將核燃料利用率從「不到1%」提高到「超過95%」
    2010年,自然科學基金委設立了重大研究計劃「先進核裂變能的燃料增殖與嬗變」,旨在以該領域關鍵基礎科學問題為核心,在先進核能體系中的核燃料及其核過程、核燃料在先進反應堆燃燒過程中的基本行為及其增殖與嬗變、乏燃料後處理的新方法與新機理等方面取得創新性成果,最終解決戰略性和前瞻性重大科學問題。該重大研究計劃歷經8年,取得了豐碩成果。
  • 世界頂級核燃料師是這樣煉成的 - 山西晚報數字報
    山西晚報:26年,只跟核燃料打交道,同樣的操作步驟次次重複做,不覺得枯燥嗎?  喬素凱:「燃料無小事」,這是當年帶我的師父的口頭禪,也是我們所有核燃料操作員的安全底線,牢牢守住這個底線,是核燃料人的本分!因為核燃料工作的特殊性,我用「不允許毫釐之差」來要求自己和身邊的同事。
  • 美國計劃造長期往返的宇宙飛船,中國計劃這麼做,卻更有智慧
    美國和中國兩大太空項目,策略是不一樣,美國計劃造長期往返的宇宙飛船,中國計劃造一次性使用的超巨型火箭。但能夠長期使用的宇宙飛船才是未來正確的道路,而核動力發動機是宇宙飛船的動力核心。
  • 中國核燃料研究獲突破 可將鈾利用率提到超過95%
    本報北京6月8日電(實習生蘇琬茜中國青年報·中青在線記者邱晨輝) 記者從中國科學院今天舉行的新聞發布會上獲悉,由該院近代物理研究所原創提出的全新加速器驅動先進核能系統,可將鈾資源利用率由目前技術的「不到1%」提高到「超過95%」,處理後核廢料量不到乏燃料的4%,
  • 利用有限鈾資源 走近核燃料再循環
    然而,核電中的核燃料——天然鈾資源也有耗盡的一天。而且我國鈾礦資源不甚豐富,現已探明的儲量居世界10名之後。   為破解這一難題,核燃料再循環成為充分利用有限鈾資源,實現核能供給最大化的重要途徑。目前,法國、英國、日本等都在使用核燃料再循環,我國也採取了這種後處理手段。
  • 揭秘核燃料:1斤鈾礦石輻射僅與夜光表相當-核燃料,鈾礦石,輻射...
    隨著能源結構改革的深入,中國正在全力發展核電,然而想要讓一座反應堆產生電能就必須要有核燃料,而最常見的核燃料便來自鈾礦。鈾礦石很漂亮,被譽為礦石家族中的玫瑰花,但卻很少有人願意接近它,原因就在於輻射。
  • 核電站燒過燃料中還有大量的鈾和鈽,就白白地埋地下了?
    所謂的乏燃料就是核反應堆理應使用過的核燃料,一般都是核電站「燒」後剩下的核廢料,新聞中經常有聽說核廢料地下深埋處理,全球也有多處填埋場,但據說燒過的核燃料中還有大量的鈾和鈽,難道就白白扔掉,不回收利用了嗎?
  • 《最後的航母》年度重磅末日海戰策略手遊震撼上線!
    2025年全球氣候變暖嚴重海平面上升,人類科技發展飛快,逐步轉移向海洋,人類的本性懶惰暴露出來,大家開始利用一種新的執行程序來控制屍體做工人,做奴隸……事情發展的飛快,又過了數年,喪屍產生了智慧,突然間的溫和的喪屍暴動了,本來身邊僕人,工人全部暴動,瞬間人類近乎滅亡。喪屍病毒爆發,人類失去大陸,走向海洋。